陶瓷/泡沫铝复合装甲动态力学响应研究

In this project, the dynamic mechanical response of ceramic/aluminum foam composite armor under impact load was researched, the main research contents included: (1) Stress wave propagation during the interface of composite armor, revealed the composite armor structure influence of ceramic / aluminum foam to stress wave propagation; (2) Relationship between composite armor structure parameters with structure failure mode under impact load, study on the material different layer coupling deformation and destruction mode of composite armor structure under impact load; and analyze the failure mechanism and main control parameters of composite armor structure. (3) Through establish analysis model of ceramic / aluminum foam composite armor structure under impact load to study the optimal ratio design of ceramic / aluminum foam composite armor under different constraints. In this project, through the three key issues study of ceramic / aluminum foam composite armor dynamic mechanical response, provide theoretical basis and foundation for ceramic / aluminum foam composite armor design, damage assessment and applications, the results will make important theoretical and engineering significance for promote the composite armor development in impact protection areas.

本项目主要研究冲击载荷作用下陶瓷/泡沫铝复合装甲的动态力学响应，研究内容包括：（1）应力波在复合装甲多介质界面的传播，揭示陶瓷/泡沫铝复合装甲结构对应力波传播的影响规律；（2）冲击载荷下复合装甲结构参数与结构失效模式之间的相互关系，研究复合装甲结构在冲击载荷下各层材料之间的耦合变形和破坏模式，得出复合装甲结构的失效机理和主控参数；（3）建立冲击载荷下陶瓷/泡沫铝复合装甲结构的分析模型，利用该模型研究不同约束条件下复合装甲各层材料最优配比。本项目拟通过以上陶瓷/泡沫铝复合装甲动态力学响应中的三个关键问题研究，为陶瓷/泡沫铝复合装甲设计、损伤评估和应用提供理论基础和依据，其成果将对促进陶瓷/泡沫铝复合装甲在冲击防护领域的发展具有重要的理论和工程意义。

陶瓷/泡沫铝复合装甲具有典型的“三高一低”特性，即高硬度、高强度、高韧性和低密度，是轻质复合装甲结构设计的理想结构。通过本项目的实施，对纤维/陶瓷/纤维/泡沫铝/纤维复合装甲结构的选材及力学性能开展了实验、数值仿真及理论研究工作。结果表明：.1.利用热压工艺制备玻璃纤维增强聚丙烯复合材料，研究结果表明该种材料具有优良的力学性能，低速侵彻时靶板能量吸收率随着弹体入射速度逐渐增加而降低，不同铺层角度靶板的能量吸收率会趋近为常数，并趋于相等。受冲击时材料存在较大层间开裂问题，制备复合装甲时也存在陶瓷破坏的问题。.2.利用VARI工艺制备玻璃纤维复合板，并开展短纤维层间增韧研究。结果表明，增加短纤维后层间动态断裂韧性确有明显增强，但却削弱了复合板抗侵彻能力，并引起自重的增加。.3.针对真空封泥材料力学性能及其应力波整形效果开展研究工作，结果表明该种材料具备很好的应力波整形效果。制PVDF传感器，结合应力波整形技术研究了应力波在复合装甲中的传播规律。实验结果表明应力波在陶瓷/纤维/泡沫铝多层介质中传播时，应力波会有很大程度的衰减，泡沫铝层为其主控参量。 .4.利用VARI工艺制备纤维/陶瓷/纤维/泡沫铝/纤维复合装甲，采用实验和仿真相结合的方法分析了陶瓷厚度、泡沫铝厚度、弹体形状等对复合板变形模式、吸能特性、失效机理及抗侵彻性能的影响。实验结果表明陶瓷材料是其中主控参量，其厚度的变化对弹体的能量损耗分配起到重要影响。.5.根据复合装甲侵彻破坏变形机制，结合Florence模型，建立了陶瓷/泡沫铝复合装甲侵彻模型并开展了优化计算，结果表明陶瓷层与泡沫铝层最优厚度比例在1:2~1:2.5之间，极值为1:2.2；利用Workbench数值仿真平台，结合多参数优化方法开展复合装甲的优化分析，结果表明陶瓷与泡沫铝厚度比为1：2.5时复合板抗侵彻性能最优，这与模型的计算结果相符。